Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
Los ingenieros del MIT han diseñado lo que podría ser la tirita del futuro: un material pegajoso, elástico y similar a un gel, capaz de incorporar sensores de temperatura, luces LED y otros componentes electrónicos, así como pequeños depósitos y canales para la liberación de fármacos. El «apósito inteligente para heridas» libera medicamentos en respuesta a los cambios de temperatura de la piel y puede diseñarse para encenderse si, por ejemplo, el medicamento se está agotando.
Cuando el apósito se aplica en una zona muy flexible, como el codo o la rodilla, se estira con el cuerpo, lo que mantiene operativos e intactos los componentes electrónicos integrados.
La clave del diseño es una matriz de hidrogel diseñada por Xuanhe Zhao, profesor asociado Robert N. Noyce Career Development del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. El hidrogel, que Zhao detalló a principios de este mes, es un material gomoso compuesto principalmente de agua, diseñado para adherirse con firmeza a superficies como oro, titanio, aluminio, silicio, vidrio y cerámica.
En un nuevo artículo publicado en la revista Advanced Materials, el equipo informa de la incorporación de diversos componentes electrónicos en el hidrogel, como cables conductores, chips semiconductores, luces LED y sensores de temperatura. Zhao afirma que los dispositivos electrónicos recubiertos de hidrogel podrían utilizarse no solo en la superficie de la piel, sino también en el interior del cuerpo, por ejemplo, como sensores de glucosa biocompatibles implantados o incluso como sondas neuronales blandas y flexibles.
«Los dispositivos electrónicos suelen ser duros y secos, mientras que el cuerpo humano es blando y húmedo. Estos dos sistemas tienen propiedades drásticamente diferentes», afirma Zhao. «Si queremos poner dispositivos electrónicos en contacto estrecho con el cuerpo humano para aplicaciones como la monitorización sanitaria y la administración de fármacos, es muy deseable que los dispositivos electrónicos sean blandos y elásticos para adaptarse al entorno del cuerpo humano. Esa es la motivación de la electrónica de hidrogel elástica».
Los coautores de Zhao en el artículo son los estudiantes de posgrado Shaoting Lin, Hyunwoo Yuk, German Alberto Parada, el posdoctorando Teng Zhang, Hyunwoo Koo, de Samsung Display, y Cunjiang Yu, de la Universidad de Houston.
Una unión fuerte y elástica
Los hidrogeles sintéticos típicos son frágiles, apenas elásticos y se adhieren débilmente a otras superficies.
«En la etapa actual, suelen utilizarse como biomateriales degradables», afirma Zhao. «Si se quiere fabricar un dispositivo electrónico a partir de hidrogeles, hay que pensar en la estabilidad a largo plazo de los hidrogeles y de las interfaces».
Para superar estos retos, su equipo ideó una estrategia de diseño para hidrogeles robustos, mezclando agua con una pequeña cantidad de biopolímeros seleccionados para crear materiales blandos y elásticos con una rigidez de 10 a 100 kilopascales, aproximadamente el rango de los tejidos blandos humanos. Los investigadores también idearon un método para unir con firmeza el hidrogel a diversas superficies no porosas.
En el nuevo estudio, los investigadores aplicaron sus técnicas para demostrar varios usos del hidrogel, entre ellos el encapsulado de un cable de titanio para formar un conductor transparente y elástico. En los experimentos, estiraron varias veces el cable encapsulado y comprobaron que mantenía una conductividad eléctrica constante.
Zhao también creó una matriz de luces LED integrada en una lámina de hidrogel. Cuando se colocó en distintas zonas del cuerpo, la matriz siguió funcionando, incluso al estirarse sobre zonas muy deformables, como la rodilla y el codo.
Una matriz versátil
Por último, el grupo integró diversos componentes electrónicos en una lámina de hidrogel para crear un «apósito inteligente para heridas», que incluye sensores de temperatura espaciados regularmente y pequeños depósitos de fármacos. Los investigadores también crearon vías para que los fármacos fluyeran a través del hidrogel, insertando tubos con patrones o perforando pequeños orificios en la matriz. Colocaron el apósito sobre distintas zonas del cuerpo y comprobaron que, incluso cuando se estiraba mucho, seguía monitorizando la temperatura de la piel y liberando fármacos según las lecturas de los sensores.
Yuk afirma que una aplicación inmediata de la tecnología podría ser como tratamiento elástico y a demanda para quemaduras u otras afecciones de la piel.
«Es una matriz muy versátil», afirma Yuk. «La capacidad única aquí es que, cuando un sensor detecta algo diferente, como un aumento anormal de la temperatura, el dispositivo puede liberar fármacos a demanda en esa ubicación específica y seleccionar un fármaco concreto de uno de los depósitos, que puede difundirse en la matriz de hidrogel para una liberación sostenida en el tiempo».
Profundizando más, Zhao concibe el hidrogel como un vehículo ideal y biocompatible para introducir dispositivos electrónicos en el interior del cuerpo. Actualmente explora el potencial del hidrogel como soporte de sensores de glucosa y de sondas neuronales. Los sensores de glucosa convencionales, implantados en el cuerpo, suelen provocar una respuesta del sistema inmunitario ante cuerpos extraños, que cubre los sensores con fibras densas y obliga a reemplazarlos con frecuencia. Aunque se han utilizado diversos hidrogeles para recubrir sensores de glucosa y evitar esa reacción, son frágiles y pueden desprenderse fácilmente con el movimiento. Zhao afirma que el sistema hidrogel-sensor que desarrolla su grupo probablemente sería robusto y eficaz durante largos periodos. Afirma que podría plantearse un caso similar para las sondas neuronales.
«El cerebro es un bol de Jell-O», afirma Zhao. «Actualmente, los investigadores prueban distintos materiales blandos para lograr la biocompatibilidad a largo plazo de los dispositivos neuronales. Junto con colaboradores, proponemos utilizar hidrogel robusto como material ideal para dispositivos neuronales, ya que puede diseñarse para poseer propiedades mecánicas y fisiológicas similares a las del cerebro».
Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval, el Instituto MIT de Nanotecnología para Soldados y la Fundación Nacional de Ciencias.
La publicación no implica la aprobación de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autora: Jennifer Chu es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: Un vendaje autoadhesivo envuelve el dedo de Warren Buffett. REUTERS/Lucas Jackson.
